電氣性能測試系統(tǒng)的研究

魏士勇

泰安航天特種車有限公司 山東泰安 271000

1 整車控制策略的編制

在設(shè)計(jì)期間，需要勾畫出整車的控制策略框架，計(jì)算整車電路系統(tǒng)大概包括哪些用電單元，其負(fù)載大致多大，每個(gè)用電單元采取何種控制方式，同時(shí)需要對整車的用電器進(jìn)行初步確定。并設(shè)計(jì)整車電器控制圖，進(jìn)行整車電器的匹配、集成，在電路的設(shè)計(jì)中，電路的安全是需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問題，也就是說必須考慮到電路的保護(hù)和電路的控制，及整個(gè)電路中各個(gè)元件的匹配。滿足以上設(shè)計(jì)要求需要開發(fā)階段對整車電子電器系統(tǒng)做必要的測試驗(yàn)證。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整車電性能測試系統(tǒng)的硬件集成于一個(gè)便攜式機(jī)箱內(nèi)，設(shè)計(jì)緊湊便于攜帶。

2.1 CRIO實(shí)時(shí)控制器

控制器是整個(gè)測試系統(tǒng)的核心，本文選用NI公司的CompactRIO-9068嵌入式系統(tǒng)，由實(shí)時(shí)控制器和可重配置的FPGA兩部分組成。其中實(shí)時(shí)控制器包含一個(gè)667MHz雙核ARM Cortex-A9工業(yè)級(jí)處理器，能夠可靠而準(zhǔn)確地執(zhí)行LabVIEW實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，并可提供多速率控制、進(jìn)程執(zhí)行跟蹤、板載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及與外部設(shè)備通訊等功能；內(nèi)嵌的8槽LX45FPGA可重置機(jī)箱能夠直接和每個(gè)I/O模塊相連，可高速訪問I/O電路并靈活實(shí)現(xiàn)定時(shí)、觸發(fā)和同步等功能。1GB 非易失性存儲(chǔ)、512MB DDR3內(nèi)存、2個(gè)千兆以太網(wǎng)端口、1個(gè)USB高速端口和3個(gè)串行端口。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊選用NI C系列I/O板卡，包含隔離、轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理等功能，并可直接與工業(yè)傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，大幅度降低了測試空間的需求和現(xiàn)場布線成本。根據(jù)測試需求選用NI 9853、NI 9221、NI 9205、NI 9227、NI 9213采集板卡，各模塊之間通過 Compac tRIO平臺(tái)獨(dú)立工作、互不影響，能夠滿足測試中對電壓、電流、溫度和總線信號(hào)等物理量的采集工作，且設(shè)計(jì)有預(yù)留的端口和插槽[1]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊

Moxa AWK-3121（工業(yè) IEEE 802.11a/b/g 無線 AP/橋路/客戶端）安裝于箱體內(nèi)通過網(wǎng)線與CRIO機(jī)箱通訊，可創(chuàng)建局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備與PC機(jī)之間的信息交互，具備可靠的無線連接和讀寫性能，可降低測試現(xiàn)場設(shè)備的接線難度和布線成本。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

CompactRIO機(jī)箱上帶有1個(gè)USB接口，支持格式為FAT32、FAT16的存儲(chǔ)設(shè)備，用此接口外接一個(gè)工業(yè)硬盤作為存儲(chǔ)設(shè)備，主要用于系統(tǒng)相關(guān)信息存儲(chǔ)（錯(cuò)誤記錄、系統(tǒng)使用歷史信息）和采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（系統(tǒng)采集來的原始數(shù)據(jù)）。

2.5 供電模塊

在測試過程中，若直接選用220V電壓供電，雖然可減小開發(fā)成本、縮小設(shè)備體積，但是會(huì)對整個(gè)測試系統(tǒng)和汽車產(chǎn)生電磁干擾從而影響測試精度，因此本系統(tǒng)選用電池供電。由于與其他硬件設(shè)備相比電池的壽命相對較短，從更換方便角度考慮設(shè)計(jì)定制了可拆卸式電池。該電池負(fù)責(zé)給除了PC機(jī)以外的整個(gè)測試系統(tǒng)供電[2]。

3 上位機(jī)PC程序設(shè)計(jì)

3.1 測試項(xiàng)管理功能

測試項(xiàng)管理功能使用樹形結(jié)構(gòu)框架。針對某指定車型可以確定需要進(jìn)行的測試項(xiàng)和測試矩陣，根據(jù)這些信息生成測試項(xiàng)管理模塊。在進(jìn)行整車測試前，對各測試項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行配置，用于指導(dǎo)現(xiàn)場測試和后續(xù)的數(shù)據(jù)分析及報(bào)告生成。

3.2 測試、監(jiān)控界面

基于已有的 NI 硬件采集模塊、無線通訊模塊AWK3121、離線電源、電子負(fù)載等核心硬件，數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)對應(yīng)模擬量數(shù)據(jù)和總線傳輸數(shù)據(jù)的記錄、顯示，同時(shí)包括對硬件參數(shù)的配置[3]。

3.3 數(shù)據(jù)回放、分析與報(bào)告生成

采集來的測試數(shù)據(jù)是由TDMS格式存儲(chǔ)的，可以選取已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，支持對顯示精度、橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)分析時(shí)支持最大值、最小值、平均值、方差值、有效值等基本物理量的自動(dòng)計(jì)算，特別是在雙游標(biāo)狀態(tài)下，通過分析按鈕，自動(dòng)分析兩游標(biāo)之間數(shù)據(jù)的最大、最小、平均、方差、有效值等信息。根據(jù)分析結(jié)果，參照對應(yīng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對測試結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，將分析結(jié)果和評(píng)價(jià)結(jié)果存儲(chǔ)至報(bào)表中。

4 FPGA驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)模塊采用兩種方法采集數(shù)據(jù)，單點(diǎn)輪詢采集：FPGA端采集I/O通道數(shù)據(jù)后設(shè)置中斷，RT端觸發(fā)相應(yīng)中斷后通過讀寫節(jié)點(diǎn)讀取I/O通道數(shù)據(jù)。DMAFIFO方式采集：將I/O通道數(shù)據(jù)捆綁后存儲(chǔ)在主機(jī)和終端都能訪問的一塊先進(jìn)先出的緩存中，然后在RT端通過DMA方法節(jié)點(diǎn)輪詢讀取緩存中的數(shù)據(jù)。由于溫度變化緩慢且NI-9213采樣率低、數(shù)據(jù)量小，采用輪詢中斷單點(diǎn)采集。對于NI-9253、NI-9221、NI-9227、NI-9205等電壓與電流參量的采集，涉及到高采樣與大吞吐量數(shù)據(jù)，為了減少CPU的負(fù)擔(dān)，選擇DMA FIFO形式采集。

4.1 RT程序設(shè)計(jì)

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是按搶先式和時(shí)間片循環(huán)式（Rround-robin）執(zhí)行任務(wù)并進(jìn)行排序，使用搶先式排列，高優(yōu)先級(jí)線程搶先于低優(yōu)先級(jí)線程執(zhí)行，優(yōu)化確定性能。基于多線程并行運(yùn)行的機(jī)制在實(shí)時(shí)系統(tǒng)端（RT）上實(shí)現(xiàn)控制器數(shù)據(jù)采集、消息處理及數(shù)據(jù)運(yùn)算、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

4.2 TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

RT系統(tǒng)部署在CRIO實(shí)時(shí)系統(tǒng)里，不提供操作界面，因此必須通過以太網(wǎng)與PC之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，本系統(tǒng)采用 TCP/IP 與網(wǎng)絡(luò)流做數(shù)據(jù)傳輸。以 RT 端作為TCP/IP的服務(wù)器，PC端作為TCP/IP的客戶端，在RT端寫入或在PC端讀取都得將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成字符串形式，并且為了確保數(shù)據(jù)流的完整性。

5 結(jié)語

本文對整車電氣性能測試系統(tǒng)的研究進(jìn)行分析。